APPARATO LIDAR FLUOROSENSORE COMPATTO A SCANSIONE
PER APPLICAZIONE AI BENI CULTURALI
Aristipini P., Colao F., Fantoni R., Fiorani L., Palucci A.
ENEA FIS-LAS, Via E. Fermi 45, 00044 Frascati (Roma)
At the ENEA Research Center of Frascati has been realized a compact lidar fluorosensor
apparatus to be employed in the diagnosis of stone samples relevant to the preservation and
valorization of Southern Italy cultural heritage (TECSIS project).
1.
Introduzione
L’applicazione di tecnologie fisiche avanzate alla preservazione del patrimonio culturale è un
campo di ricerca e sviluppo in continua espansione [1]. Tra i numerosi strumenti poco
distruttivi o non distruttivi affatto [2], i sistemi laser sono stati utilizzati con successo per la
prospezione [3], la diagnosi [4] e la conservazione [5] delle opere d’arte. La fluorescenza
indotta da laser è stata recentemente impiegata nel telerilevamento attivo di opere d’arte
quali, ad esempio, ceramiche antiche [6] e monumenti lapidei [7], permettendo di rivelare
aspetti invisibili a occhio nudo, anche senza rimuovere i campioni analizzati dalla loro
collocazione originale.
Lo sviluppo di un apparato lidar fluorosensore, compatto a scansione per impieghi esterni nei
beni culturali, è uno degli scopi del progetto PON-TECSIS del MIUR, come è prevista in
questo ambito la caratterizzazione di reperti in ambiente sottomarino. Per questo, presso il
Centro Ricerche ENEA di Frascati, sono stati eseguiti alcuni test preliminari applicando la
fluorescenza indotta da laser a campioni lapidei per:
• riconoscerne la natura,
• determinarne lo stato di conservazione,
• rivelarne la presenza sott’acqua.
Da questo lavoro sono emerse le specifiche per sviluppare un apparato compatto da portare
in campo ed effettuare delle indagini nei siti di interesse per il progetto o partecipare ad
azioni comuni.
Nome
Sigla sul campione
Materiale
Provenienza
Carrara
AT 13
Marmo bianco
Carrara, Italia
Naxos
NKML 16
Marmo bianco
Naxos, Grecia
Paros sottile
20
Marmo bianco
Paros, Grecia
Paros spesso
17
Marmo bianco
Paros, Grecia
Proconneso
AKS 1
Marmo bianco
Proconneso, Turchia
Tufo arancione
Tufo arancione
Roma, Italia
Tufo giallo
Tufo giallo
Roma, Italia
Tufo grigio
Tufo grigio
Roma, Italia
Tabella 1 – Lista dei campioni lapidei esaminati.
Per il momento, abbiamo analizzato soprattutto marmi bianchi classici perché sono tra le
pietre più utilizzate per la realizzazione di monumenti e sculture nell’area mediterranea. In
particolare, la fluorescenza indotta da laser è stata applicata sia alla zona integra (“pulita”)
che a quella deteriorata (“sporca”) dei frammenti marmorei. Come materiale alternativo è
stato scelto il tufo a causa della sua frequenza in costruzioni di epoca romana. I campioni
lapidei sono elencati nella tabella 1.
I marmi esaminati, sia puliti che sporchi, provengono direttamente dalle principali cave
utilizzate nell’antichità che si trovano tutte in zone costiere poco soggette ad inquinamento
industriale. Il deterioramento osservato sulle superfici va quindi imputato principalmente a
fenomeni naturali (ossidazione, erosione e depositi di aerosol) correlabili con gli agenti
atmosferici (pioggia, sole e vento).
2.
Apparato sperimentale
La fluorescenza è stata indotta sui campioni lapidei utilizzando la terza armonica di un laser
Nd:YAG impulsato Thomson DIVA (lunghezza d’onda: 355 nm, energia dell’impulso: 5 mJ,
durata dell’impulso: 7 ns, frequenza di ripetizione: 20 Hz, diametro del fascio: 3 mm). Il
segnale ottico è stato raccolto mediante una lente di quarzo (diametro: 7.62 cm, focale = 30
cm) focalizzata su una fibra di quarzo (diametro: 1 mm). La fibra ottica è stata accoppiata a
uno spettrometro OceanOptics S2000, in cui è montata una CCD lineare di 2048 elementi. Il
range spettrale è fisso da 190 a 1100 nm con un tempo minimo di integrazione di 3 ms. I dati
sono stati trasferiti a un PC mediante un’interfaccia RS-232.
Questo primo allestimento è stato successivamente integrato con un sistema di specchi piani
in alluminio di 15 cm di diametro, che sono stati utilizzati per l’invio del fascio laser e la
ricezione dei segnali ottici di fluorescenza (Figura 1).
UV Laser
Spectrum
Analyzer
Figura 1 – Schema ottico del lidar fluorosensore compatto per i beni culturali
Figura 2 – Foto del lidar fluorosensore compatto per i beni culturali
In dettaglio, il fascio laser attraversa uno specchio piano, bucato al centro, e raggiunge lo
specchio di scansione montato su un supporto di precisione con movimentazione su due
assi. Coassialmente viene raccolto il segnale di fluorescenza che viene focalizzato dalla
lente sulla fibra ottica ed inviato allo spettrometro. Tutto il sistema è stato assemblato su di
una struttura in alluminio e protetto da una schermatura. In figura 2, viene mostrato il
prototipo finale durante i test conclusivi in laboratorio, con il laser e le ottiche all’interno della
scatola metallica, insieme al PC che controlla i motori e lo spettrometro per l’acquisizione dei
segnali durante la scansione.
3.
Risultati sperimentali
I campioni di Tabella 1, sono stati analizzati con il lidar fluorosensore sia nelle loro superfici
pulite che in quelle degradate. In figura 3, vengono confrontati gli spettri di fluorescenza dei
marmi Paros e Naxos.
Figura 3 – Spettri di due campioni di marmo Paros e Naxos pulito e sporco.
Nell’analisi dei dati successiva, sono state identificate le bande di fluorescenza più
significative per tutti i campioni (440, 570 e 680 nm) e si è effettuata una integrazione sul
centro banda di 10 nm per valutarne la loro intensità.
In figura 4 sono state confrontate le intensità a 440 nm con il rapporto tra le intensità a 440 e
570 nm. Il diagramma ottenuto ci permette di discriminare i campioni in base a questi
parametri spettrali.
Figura 4 – Rapporto tra le intensità a 440 e 570 nm in funzione dell’intensità a 440 nm per i
vari campioni (la notazione “P” individua il campione Proconneso).
Fatta eccezione per il campione Proconneso, si può osservare che:
• i marmi puliti si trovano nella regione delimitata dalle condizioni I440>40000 e
I440/I570>2.9,
• i marmi sporchi si trovano nella regione delimitata dalle condizioni I440>40000 e
I440/I570<2.4,
• i tufi si trovano nella regione delimitata dalle condizioni I440<30000.
Conseguentemente, la scelta dei parametri I440 e I440/I570 risulta abbastanza buona perché
permette di discriminare marmi puliti, marmi sporchi e tufi in 11 casi su 13 (85%).
Sono stati inoltre analizzati i decadimenti temporali e gli spostamenti in frequenza della varie
bande spettrali e rivelata la presenza di licheni su alcune superfici. Successivamente sono
stati ripetute queste misurazioni introducendo i campioni in acqua.
5.
Conclusioni
Le misure preliminari eseguite su campioni lapidei mediante fluorescenza indotta da laser
lasciano intravedere ampi spazi applicativi per le tecnologie ottiche volte alla diagnosi di
materiali di interesse artistico.
La semplice osservazione del segnale di fluorescenza, ad esempio, permette di discriminare
i campioni: considerandone l’intensità si distinguono i marmi dai tufi, esaminandone la forma
si riconosce lo stato di degrado delle superfici. Analisi più raffinate, come le determinazioni
dello spostamento spettrale e del tempo di decadimento, possono offrire ulteriori indicazioni.
I primi test per la rivelazione dei marmi sott’acqua hanno dato esito positivo nel caso in cui
l’ottica di rivelazione sia regolata opportunamente.
I risultati ottenuti in laboratorio sono stati la base per costruire il nuovo apparato mobile che
verrà utilizzato nell’ambito dell’Advanced On-Site Laboratory for European Antique Heritage
Restoration organizzato dal progetto europeo CULTURE 2000 a Costanza (Romania) dal 20
al 26 Aprile.
Bibliografia
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[3]
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